JP4441703B2 - Method and apparatus for optimizing noise and dynamic range of an image sensor - Google Patents

Method and apparatus for optimizing noise and dynamic range of an image sensor Download PDF

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Description

本発明は、イメージセンサの分野に関し、より詳しくは、イメージセンサのノイズおよびダイナミックレンジを最適化することに関する。   The present invention relates to the field of image sensors, and more particularly to optimizing noise and dynamic range of image sensors.

イメージセンサは、ピクセルアレイを使用して、イメージセンサが露光された時にイメージを捕捉する。図１は、従来技術によるピクセルアレイ１０３のブロック図を示す。ピクセルアレイ１０３は、アレイ内の信号のためのドライバ、バッファおよびマルチプレクサなどの補助回路を備える。供給電圧（または電源電圧、または電源）１０５は、ピクセルアレイ１０３に電力を供給する。露光期間の開始時に、リセット信号１０７がアサートされ、ピクセルアレイ１０３内のいくつかまたは全部のピクセルがリセットされる。その結果、ピクセルは、一般に供給電圧１０５の関数であるリセット電圧に充電される。ピクセルアレイ１０３は入射光１０９に露光されるので、各ピクセルにおける電圧は低下する。   The image sensor uses a pixel array to capture an image when the image sensor is exposed. FIG. 1 shows a block diagram of a pixel array 103 according to the prior art. The pixel array 103 includes auxiliary circuits such as drivers, buffers and multiplexers for signals in the array. A supply voltage (or power supply voltage or power supply) 105 supplies power to the pixel array 103. At the beginning of the exposure period, the reset signal 107 is asserted and some or all of the pixels in the pixel array 103 are reset. As a result, the pixel is charged to a reset voltage that is generally a function of the supply voltage 105. Since the pixel array 103 is exposed to the incident light 109, the voltage at each pixel decreases.

露光期間の終わりに、各ピクセルの最終的な電圧が元のリセット電圧と比較される。こうした電圧の揺れは捕捉イメージを表し、ピクセルアレイ１０３の露光レベルに比例する。大きい電圧の揺れは高い露光レベルを示すが、これは、ピクセルアレイ１０３が明るい光に露光されたか、または露光期間が長かったことを意味する。逆に、小さい電圧の揺れは低い露光レベルを示すが、これは、ピクセルアレイ１０３が暗い光に露光されたか、または露光期間が短かったことを意味する。電圧の揺れは、ピクセルアレイ１０３からイメージ信号（または画像信号。以下同じ）１１１として読み取られる。   At the end of the exposure period, the final voltage of each pixel is compared to the original reset voltage. Such voltage swing represents a captured image and is proportional to the exposure level of the pixel array 103. A large voltage swing indicates a high exposure level, which means that the pixel array 103 was exposed to bright light or the exposure period was long. Conversely, a small voltage swing indicates a low exposure level, which means that the pixel array 103 was exposed to dark light or the exposure period was short. The voltage fluctuation is read from the pixel array 103 as an image signal (or image signal, the same applies hereinafter) 111.

より高い供給電圧（電源電圧）は、各ピクセルがより大きいリセット電圧を有し、その結果、電圧の揺れのレンジがより大きいため、ピクセルアレイのダイナミックレンジを増加させる。より大きいダイナミックレンジは、ピクセルアレイが、露光レベルが高い時に、より忠実なイメージを捕捉することを可能にする。しかし、ピクセルの一時的なノイズおよび暗電流ノイズ（以下、「ノイズ」または「ピクセルノイズ」と総称する）は、ピクセルアレイを相補型金属酸化シリコン（または相補型金属酸化物半導体：ＣＭＯＳ）技術で作る場合、供給電圧と共に増加することが分かっている。ノイズは、ピクセルアレイによって補足された画像を歪ませる。   A higher supply voltage (power supply voltage) increases the dynamic range of the pixel array because each pixel has a larger reset voltage, resulting in a larger voltage swing range. The larger dynamic range allows the pixel array to capture a more faithful image when the exposure level is high. However, pixel transient noise and dark current noise (hereinafter collectively referred to as “noise” or “pixel noise”) can cause pixel arrays to be in complementary metal oxide (or complementary metal oxide semiconductor: CMOS) technology. When making, it has been found to increase with supply voltage. Noise distorts the image captured by the pixel array.

本発明の好ましい実施態様により、イメージセンサのピクセルアレイの供給電圧（電源電圧）を最適化するための方法および装置について説明する。供給電圧は、イメージを捕捉する時に、ピクセルアレイの露光レベルに応答して変化させられる。供給電圧は、露光レベルが比較的高い場合に増加してリセット電圧を増加させ、ピクセルアレイのダイナミックレンジを拡張する。露光レベルが比較的低く、ピクセルアレイの全ダイナミックレンジが使用されるわけではない場合、供給電圧が減少されてリセット電圧を低くし、その結果、ノイズレベルを低下させ、画質に対するノイズの影響を減少させる。 In accordance with a preferred embodiment of the present invention, a method and apparatus for optimizing the supply voltage (power supply voltage) of a pixel array of an image sensor is described. Supply voltage, when capturing an image, Ru is allowed change in response to exposure level of a pixel array. The supply voltage increases when the exposure level is relatively high, increasing the reset voltage and extending the dynamic range of the pixel array. If the exposure level is relatively low and the full dynamic range of the pixel array is not used, the supply voltage is reduced to lower the reset voltage, thereby lowering the noise level and reducing the impact of noise on image quality Let

本発明の一実施態様によると、露光レベルは、信号がアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）によりディジタル化される前に、ピクセルアレイからの信号を増幅するプログラム可能な利得増幅器（ＰＧＡ）の利得をチェックすることにより決定される。利得制御ブロックは、ピクセルアレイからの信号レンジをＡＤＣの入力レンジに一致させて量子化誤差を最小化するようにＰＧＡの利得を制御する。高いＰＧＡ利得は、ピクセルアレイからの比較的低い信号レベルを示し、低いＰＧＡ利得はピクセルアレイからの比較的高い信号レベルを示す。したがって、ＰＧＡの利得は、露光レベルのインジケータ（指標）である。   According to one embodiment of the present invention, the exposure level is the gain of a programmable gain amplifier (PGA) that amplifies the signal from the pixel array before the signal is digitized by an analog-to-digital converter (ADC). Determined by checking. The gain control block controls the gain of the PGA so that the signal range from the pixel array matches the input range of the ADC to minimize the quantization error. A high PGA gain indicates a relatively low signal level from the pixel array, and a low PGA gain indicates a relatively high signal level from the pixel array. Therefore, the gain of PGA is an exposure level indicator.

本発明の別の実施態様では、露光レベルは、ピクセルアレイからの平均信号値と閾値とを比較して決定される。平均信号値が閾値より高い場合、ピクセルアレイは高い露光レベルを有する。平均信号値が閾値より低い場合、ピクセルアレイは低い露光レベルを有する。代替的には、露光レベルを、ピクセルアレイからの中間信号値または最大信号値を閾値と比較して決定することができる。   In another embodiment of the invention, the exposure level is determined by comparing the average signal value from the pixel array with a threshold value. If the average signal value is higher than the threshold value, the pixel array has a high exposure level. If the average signal value is below the threshold, the pixel array has a low exposure level. Alternatively, the exposure level can be determined by comparing the intermediate or maximum signal value from the pixel array to a threshold value.

本発明の別の実施態様では、ピクセルアレイは、２つ以上の電源（または供給電圧）を有する。これら供給電圧のうちの１個または複数を、ピクセルアレイの露光レベルに応じて変化させて、ピクセルアレイのノイズレベルおよびダイナミックレンジを最適化する。 In another embodiment of the invention, the pixel array has more than one power supply (or supply voltage). One or more of these supply voltages are varied depending on the exposure level of the pixel array to optimize the noise level and dynamic range of the pixel array.

本発明のもう１つの実施態様では、ピクセルアレイを、リセット電圧がピクセルアレイに対する供給電圧の関数ではないように設計することができる。また、こうした構成では、リセット電圧を、ピクセルアレイの露光レベルに応じてノイズレベルを減少させるために、供給電圧に関係なく最適化することができる。   In another embodiment of the invention, the pixel array can be designed such that the reset voltage is not a function of the supply voltage to the pixel array. In such a configuration, the reset voltage can be optimized regardless of the supply voltage in order to reduce the noise level according to the exposure level of the pixel array.

本発明のさらに他の特徴及び利点、並びに本発明の好ましい実施態様の構成および動作について、添付の例示的な図面を参照して以下に詳細に説明する。図中、同じ参照符号は、同一のまたは機能的に類似する要素を示す。   Further features and advantages of the present invention, as well as the structure and operation of preferred embodiments of the present invention, are described in detail below with reference to the accompanying exemplary drawings. In the drawings, like reference numbers indicate identical or functionally similar elements.

ピクセルアレイが高い露光レベルを有する場合、ピクセルのノイズは、イメージ信号がピクセルのノイズフロアに比べて大きいので無視できる。信号対ノイズ比が大きいと、結果的に、高い露光レベル下で高い画質が得られる。しかし、ピクセルアレイの電圧の揺れは、低い露光レベル下では比較的小さくなる。信号対ノイズ比は、これらの条件では比較的低く、得られる画質は比較的悪い。したがって、ピクセルアレイに対する供給電圧を、露光レベルに応じて変化させて、ピクセルアレイのノイズレベルおよびダイナミックレンジを最適化する。 If the pixel array has a high exposure level, the pixel noise is negligible because the image signal is large compared to the pixel noise floor. A large signal-to-noise ratio results in high image quality at high exposure levels. However, the voltage swing of the pixel array, is relatively small under low exposure levels. The signal to noise ratio is relatively low under these conditions and the resulting image quality is relatively poor. Therefore, the supply voltage to the pixel array is changed according to the exposure level to optimize the noise level and dynamic range of the pixel array.

図２は、本発明にしたがって製作された、露光レベルに応じてピクセルアレイの供給電圧（電源）を最適化するためのシステム２０１のブロック図を示す。ピクセルアレイ２０３は、イメージ信号２１１により表されるイメージ（画像）を捕捉するために使用される。露光レベル決定器２０７は、イメージ信号２１１の露光レベルを決定し、電源調節器（供給電圧調整器）２０６にフィードバックするための露光レベルインジケータ２０９を生成する。電源調節器２０６は、電源２０５からの電圧を調節して、最適化された供給電圧（アレイVdd２０４）をピクセルアレイ２０３に提供する。アレイVdd２０４は、露光レベルインジケータ２０９により指示される露光レベルにおいてノイズレベルとダイナミックレンジとが最適に平衡するように選択される。   FIG. 2 shows a block diagram of a system 201 made in accordance with the present invention for optimizing the pixel array supply voltage (power supply) as a function of exposure level. The pixel array 203 is used to capture an image represented by the image signal 211. The exposure level determiner 207 determines the exposure level of the image signal 211 and generates an exposure level indicator 209 for feeding back to the power supply adjuster (supply voltage adjuster) 206. The power conditioner 206 adjusts the voltage from the power supply 205 to provide an optimized supply voltage (array Vdd 204) to the pixel array 203. The array Vdd 204 is selected so that the noise level and the dynamic range are optimally balanced at the exposure level indicated by the exposure level indicator 209.

たとえば、露光レベル決定器２０７が、ピクセルアレイ２０３が高い露光レベルを有することを指示する場合、電源調節器２０６はアレイVdd２０４を増加させる。これは、ピクセルアレイ２０３におけるより大きなダイナミックレンジを可能にする。露光レベル決定器２０７が、ピクセルアレイ２０３が低い露光レベルを有することを示す場合、電源調節器２０６はアレイVdd２０４を低下させる。アレイVdd２０４が低下しても、各ピクセルにおける電圧の揺れが比較的小さいため、低い露光レベルにおけるピクセルアレイ２０３のダイナミックレンジは損なわれない。アレイVdd２０４の低下は、ピクセルノイズの量も減少させ、その結果、信号対ノイズ比、および低い露光レベル下で捕捉されたイメージの画質を改善する。低い露光レベルと高い露光レベルとを区別する基準は、露光時間の長さ、ピクセルの感度、周囲光の強度、およびその他のシステム変数などの要因に応じてシステムごとに異なる。しかし、一般に、イメージ信号２１１が基準値より高い場合、ピクセルアレイ２０３は高い露光レベルを有する。イメージ信号２１１が基準値より低い場合、ピクセルアレイ２０３は低い露光レベルを有する。 For example, if the exposure level determiner 207 indicates that the pixel array 203 has a high exposure level, the power conditioner 206 increases the array Vdd 204. This allows for a larger dynamic range in the pixel array 203. If the exposure level determiner 207 indicates that the pixel array 203 has a low exposure level, the power regulator 206 lowers the array Vdd 204. Even array Vdd204 is reduced, because the voltage swing at each pixel is relatively small, is not impaired dynamic range of the pixel array 203 at low exposure levels. Decreasing the array Vdd 204 also reduces the amount of pixel noise, resulting in improved signal to noise ratios and the quality of images captured under low exposure levels. The criteria for distinguishing between low and high exposure levels vary from system to system depending on factors such as length of exposure time, pixel sensitivity, ambient light intensity, and other system variables. However, in general, when the image signal 211 is higher than the reference value, the pixel array 203 has a high exposure level. When the image signal 211 is lower than the reference value, the pixel array 203 has a low exposure level .

図３Ａは、図２の露光レベル決定器２０７として可能な一実施例を示す。露光レベル決定器２０７に対する入力は、イメージ信号２１１である。イメージ信号２１１は、ピクセルアレイ２０３から読み取られ、必要な場合、プログラム可能な利得増幅器（ＰＧＡ）３０１により増幅される。増幅が必要かどうかについては、以下でさらに説明する。次に、増幅されたイメージ信号３０２は、増幅されたイメージ信号３０２をディジタル形式（ディジタル化されたイメージ信号３０４）に変換するアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３０３により処理される。   FIG. 3A shows one possible implementation for the exposure level determiner 207 of FIG. An input to the exposure level determiner 207 is an image signal 211. The image signal 211 is read from the pixel array 203 and amplified by a programmable gain amplifier (PGA) 301 if necessary. Whether amplification is necessary is further described below. The amplified image signal 302 is then processed by an analog-to-digital converter (ADC) 303 that converts the amplified image signal 302 into a digital format (a digitized image signal 304).

アナログ信号がディジタル化されると常に、追加のノイズをディジタル化信号に導入する量子化誤差が生じる。量子化ノイズが、ディジタル化されるアナログ信号上に存在するノイズと同程度か、またはこのノイズより大きい場合、量子化ノイズは全体の信号対ノイズ比を悪化させる。量子化ノイズの影響を最低限にするため、アナログ信号を、量子化ノイズが追加される前に、信号の振幅が最大化されるように増幅することができる（但し、ＡＤＣの入力レンジを超えないようにして）。その結果、追加された量子化ノイズが信号対ノイズ比に与える影響を最低限にする。したがって、ＰＧＡ３０１は、ＡＤＣ３０３のレンジにより良好に一致するように、弱いイメージ信号を増幅する。利得制御ブロック３０５は、ＡＤＣ３０３からのディジタル化イメージ信号を分析して、増幅が必要かどうかを決定する。たとえば、ディジタル化イメージ信号３０４の平均レベルが目標値に合致しない場合、利得制御ブロック３０５は、ＰＧＡ３０１の利得設定（値）３０６を相応に調節する。   Whenever an analog signal is digitized, there is a quantization error that introduces additional noise into the digitized signal. If the quantization noise is comparable to or greater than the noise present on the analog signal being digitized, the quantization noise degrades the overall signal to noise ratio. In order to minimize the effects of quantization noise, the analog signal can be amplified so that the amplitude of the signal is maximized before the quantization noise is added (but beyond the ADC input range). Not so). As a result, the influence of the added quantization noise on the signal-to-noise ratio is minimized. Therefore, the PGA 301 amplifies the weak image signal so as to better match the range of the ADC 303. The gain control block 305 analyzes the digitized image signal from the ADC 303 to determine whether amplification is necessary. For example, if the average level of the digitized image signal 304 does not match the target value, the gain control block 305 adjusts the gain setting (value) 306 of the PGA 301 accordingly.

したがって、ＰＧＡ３０１の利得設定値３０６は、イメージ信号２１１の露光レベルのインジケータである。高い利得は、ＡＤＣ３０３に対する入力のためにかなりの量イメージ信号２１１を増幅する必要があったことを示す。したがって、ピクセルアレイ２０３は低い露光レベルを有していたことになる。逆に、低い利得は、イメージ信号２１１の増幅が殆ど、またはまったく必要なかったことを指示し、ピクセルアレイ２０３が高い露光レベルを有していたことを指示する。露光レベル決定器２０７から出力される露光レベルインジケータ２０９は、ＰＧＡ３０１の利得設定値３０６である。   Therefore, the gain setting value 306 of the PGA 301 is an indicator of the exposure level of the image signal 211. A high gain indicates that a significant amount of image signal 211 had to be amplified for input to ADC 303. Therefore, the pixel array 203 has a low exposure level. Conversely, a low gain indicates that little or no amplification of the image signal 211 is required, indicating that the pixel array 203 had a high exposure level. An exposure level indicator 209 output from the exposure level determiner 207 is the gain setting value 306 of the PGA 301.

図３Ｂは、露光レベル決定器２０７の別の実施例を示す。イメージ信号２１１の平均値は、平均値計算機３１１により計算される。比較器３０７は、平均信号値を閾値３０９と比較する。平均信号値が閾値３０９より高い場合、ピクセルアレイは高い露光レベルを有する。平均ピクセルが閾値３０９より低い場合、ピクセルアレイは低い露光レベルを有する。代替的には、比較器２０９は、イメージ信号２１１からの中間信号値または最大信号値を閾値３０９と比較することができる。露光レベル決定器２０７から出力される露光レベルインジケータ２０９は、単なる比較器３０７の出力である。その他の方法を使用して、ピクセルアレイの露光レベルを決定することもできる。   FIG. 3B shows another embodiment of the exposure level determiner 207. The average value of the image signal 211 is calculated by an average value calculator 311. The comparator 307 compares the average signal value with the threshold value 309. If the average signal value is higher than the threshold 309, the pixel array has a high exposure level. If the average pixel is below the threshold 309, the pixel array has a low exposure level. Alternatively, the comparator 209 can compare the intermediate signal value or the maximum signal value from the image signal 211 with a threshold value 309. The exposure level indicator 209 output from the exposure level determiner 207 is simply the output of the comparator 307. Other methods can be used to determine the exposure level of the pixel array.

図４は、電圧制御ブロック４０１および電圧調整器（または、電圧レギュレータ。以下同じ）４０３を使用する供給電圧（電源）調節器２０６として可能な１実施例を示す。露光レベル決定器２０７をどのように実施するかに関係なく（つまり、図３Ａ、３Ｂの実施例、または他の任意の実施例に関係なく）、露光レベルインジケータ２０９は、イメージ２１１が捕捉された露光レベルを表す。電圧制御ブロック４０１は、露光レベルインジケータ２０９に基づいて電圧基準４０５を生成する。電圧基準４０５の最適値は、ピクセルアレイ２０３のダイナミックレンジを犠牲にすることなくピクセルアレイ２０３のピクセルノイズを最小化する値である。これらの最適値を、事前にシステムのために決定して、電圧制御ブロック４０１内のルックアップメモリテーブル内に記憶することができる。 FIG. 4 illustrates one possible implementation of a supply voltage (power supply) regulator 206 that uses a voltage control block 401 and a voltage regulator (or voltage regulator, hereinafter the same) 403. Regardless of how the exposure level determiner 207 is implemented (ie, regardless of the embodiment of FIGS. 3A, 3B, or any other embodiment), the exposure level indicator 209 indicates that the image 211 has been captured. Represents the exposure level. The voltage control block 401 generates a voltage reference 405 based on the exposure level indicator 209. The optimum value of the voltage reference 405 is a value that minimizes pixel noise of the pixel array 203 without sacrificing the dynamic range of the pixel array 203. These optimal values can be determined in advance for the system and stored in a lookup memory table in the voltage control block 401.

代替的には、露光レベルインジケータ２０９に基づいて、電圧基準４０５の最適値を計算するためのアルゴリズムを用いることができる。このアルゴリズムは、電圧制御ブロック４０１内のハードウェア回路またはソフトウェアとして実施することができる。典型的なアルゴリズムは、比較関数であろう。電圧制御ブロック４０１は、露光レベルインジケータ２０９を閾値と比較する比較器を備えることができる。露光レベルインジケータ２０９が閾値より大きい場合、電圧基準４０５は増加する。露光レベルインジケータ２０９が閾値より低い場合、電圧基準４０５は減少する。   Alternatively, an algorithm for calculating the optimum value of the voltage reference 405 based on the exposure level indicator 209 can be used. This algorithm can be implemented as a hardware circuit or software within the voltage control block 401. A typical algorithm would be a comparison function. The voltage control block 401 may comprise a comparator that compares the exposure level indicator 209 with a threshold value. If the exposure level indicator 209 is greater than the threshold, the voltage reference 405 is increased. If the exposure level indicator 209 is below the threshold, the voltage reference 405 decreases.

電圧調整器４０３は、最適電圧基準４０５に一致するようにアレイVdd２０４を調整する。電圧調整器４０３は、トランジスタ４０９のゲートを駆動する演算増幅器（オペアンプ）４０７を有する。オペアンプ４０７の負入力はトランジスタ４０９のドレインに接続され、トランジスタ４０９のソースは電源（供給電圧源）２０５に接続される。電圧調整器４０３は、当該技術分野において周知の回路であり、本明細書で示した実施例は、可能な多くの構成のうちの単なる一例にすぎない。   The voltage regulator 403 adjusts the array Vdd 204 to match the optimum voltage reference 405. The voltage regulator 403 includes an operational amplifier (op-amp) 407 that drives the gate of the transistor 409. The negative input of the operational amplifier 407 is connected to the drain of the transistor 409, and the source of the transistor 409 is connected to the power supply (supply voltage source) 205. The voltage regulator 403 is a circuit well known in the art, and the embodiments shown herein are just one example of the many possible configurations.

いくつかのイメージセンサでは、ピクセルアレイ用の補助回路（ドライバ、バッファ、マルチプレクサなど）は、１個または複数の別個の電源から電力を引き出すことができる。これらの電源の各々も、ピクセルアレイの露光レベルに応じてノイズレベルを減少させるように最適化され得る。図５は、複数の電源２０５Ａ、２０５Ｂおよび２０５Ｃを有するピクセルアレイ２０３を示す。各電源は、露光レベルインジケータ２０９により指示される露光レベルに対して電源を最適化するために、電源調節器２０６Ａ、２０６Ｂおよび２０６Ｃによりそれぞれ調節される。   In some image sensors, auxiliary circuitry for the pixel array (drivers, buffers, multiplexers, etc.) can draw power from one or more separate power sources. Each of these power supplies can also be optimized to reduce the noise level depending on the exposure level of the pixel array. FIG. 5 shows a pixel array 203 having a plurality of power supplies 205A, 205B and 205C. Each power source is adjusted by power regulators 206A, 206B and 206C, respectively, to optimize the power source for the exposure level indicated by exposure level indicator 209.

本発明のもう１つの実施態様では、ピクセルアレイを、リセット電圧が、ピクセルアレイに対する供給電圧（電源電圧）の関数ではないように設計することができる。しかし、ピクセルアレイのノイズレベルは、リセット電圧に依存し、ノイズはリセット電圧に応じて増加する。こうした構成では、リセット電圧を、供給電圧に関係なく、ノイズレベルを低下させるように最適化することもできる。たとえば、リセット電圧は、いくつかのイメージセンサではリセット信号２０８の関数である。電源調節器２０６に類似するリセット電圧調節器を使用して、ピクセルアレイの露光レベルに応答してリセット信号２０８を調節することができる。   In another embodiment of the invention, the pixel array can be designed such that the reset voltage is not a function of the supply voltage (power supply voltage) to the pixel array. However, the noise level of the pixel array depends on the reset voltage, and the noise increases with the reset voltage. In such a configuration, the reset voltage can also be optimized to reduce the noise level regardless of the supply voltage. For example, the reset voltage is a function of the reset signal 208 in some image sensors. A reset voltage regulator similar to the power regulator 206 can be used to adjust the reset signal 208 in response to the exposure level of the pixel array.

図６は、本発明による処理フローチャートを示す。先ず、ステップ６０１では、イメージがピクセルアレイに捕捉される。次に、ステップ６０３では、イメージが分析されて、その露光レベルが決定される。露光レベルが低い場合は、ピクセルアレイの供給電圧が下げられる。露光レベルが比較的高い場合は、供給電圧を上げることができる。調節後、次のイメージを捕捉することができ、処理は再び６０１から開始する。リセット電圧が供給電圧の関数ではない場合、供給電圧に関係なくリセット電圧も調節することができる。   FIG. 6 shows a process flowchart according to the present invention. First, in step 601, an image is captured in a pixel array. Next, in step 603, the image is analyzed to determine its exposure level. When the exposure level is low, the supply voltage of the pixel array is lowered. If the exposure level is relatively high, the supply voltage can be increased. After adjustment, the next image can be captured and the process starts again at 601. If the reset voltage is not a function of the supply voltage, the reset voltage can also be adjusted regardless of the supply voltage.

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．イメージ２１１を捕捉するためのピクセルアレイ２０３と、
前記ピクセルアレイの露光レベルを決定して、露光レベルインジケータ２０９を生成するための露光レベル決定器２０７と、
前記露光レベルインジケータに応じて前記ピクセルアレイに対する電源電圧２０５を調節するための電源調節器２０６
を備えるシステム。
２．前記露光レベル決定器２０７が、
前記ピクセルアレイ２０３からの信号２１１を増幅するためのプログラム可能な利得増幅器３０１と、
増幅された信号３０２を受信して、前記増幅された信号をディジタル化信号３０４に変換するためのアナログ−ディジタル変換器３０３と、
前記プログラム可能な利得増幅器の利得３０６を調節するための利得制御ブロック３０５とを備えることからなる、上項１に記載のシステム。
３．前記ピクセルアレイが相補型金属酸化シリコン（または相補形金属酸化物半導体：ＣＭＯＳ）技術により作製される、上項２に記載のシステム。
４．前記利得制御ブロック３０５が、ディジタル化信号３０４の平均レベルを決定し、前記ディジタル化信号の平均レベルが目標値に合致しない場合には、前記プログラム可能な利得増幅器３０１の利得３０６を調節することからなる、上項２に記載のシステム。
５．前記利得制御ブロック３０５が、
ディジタル化信号３０４の平均レベルが目標値未満の場合には、前記プログラム可能な利得増幅器３０１の利得３０６を増加させ、
前記ディジタル化信号の平均レベルが目標値を超える場合には、前記プログラム可能な利得増幅器の利得を減少させることからなる、上項４に記載のシステム。
６．前記利得制御ブロックが、前記ディジタル化信号の平均レベルを目標値と比較するための比較器を備える、上項５に記載のシステム。
７．前記露光レベル決定器２０７が、ピクセルアレイ値を閾値３０９と比較するための比較器３０７を備え、前記ピクセルアレイ値が、前記ピクセルアレイ２０３からの信号の平均値、中間値および最大値から選択されることからなる、上項１に記載のシステム。
８．前記電源調節器２０６が、
前記露光レベルインジケータ２０９が、前記ピクセルアレイ２０３の露光レベルが閾値未満であることを指示するときには、電源２０５の電圧を低下させ、
前記露光レベルインジケータが、前記ピクセルアレイの露光レベルが閾値を超えるこを指示するときには、電源の電圧を上昇させることからなる、上項１に記載のシステム。
９．前記電源調節器２０６が、
前記露光レベルインジケータ２０９に基づいて最適な電圧基準４０５を生成するための電圧制御ブロック４０１と、
前記最適な電圧基準に合致するように、前記電源２０５を調節するための電圧調整器４０３とを備えることからなる、上項１に記載のシステム。
１０．前記電圧制御ブロック４０１が、前記最適な電圧基準４０５を生成するためのルックアップテーブルを含むことからなる、上項９に記載のシステム。
１１．前記電圧制御ブロック４０１が、前記露光レベルインジケータ２０９を閾値レベルと比較するための比較器を備えることからなる、上項９に記載のシステム。
１２．前記露光レベルインジケータ２０９に応じて前記ピクセルアレイ２０３のリセット電圧を調節するためのリセット電圧調節器をさらに備える、上項１に記載のシステム。
１３．ピクセルアレイ２０３の電源２０５を最適化するための方法であって、
前記ピクセルアレイに電圧を供給するステップと、
イメージ２１１を前記ピクセルアレイで捕捉するステップと、
前記イメージの露光レベルを決定するステップと、
前記露光レベルに応じて前記電源の電圧を調節するステップ
を含む方法。
１４．電源の電圧を調節する前記ステップが、
前記露光レベルが閾値未満のときには、電源２０５の電圧を低下させるステップと、
前記露光レベルが閾値を超えるときには、電源の電圧を上昇させるステップ
を含むことからなる、上項１３に記載の方法。
１５．露光レベルを決定する前記ステップが、
前記ピクセルアレイ２０３からの信号２１１を利得設定値３０６に応じて増幅するステップと、
増幅された信号３０２をディジタル化信号３０４に変換するステップと、
前記ディジタル化信号の平均レベルを決定するステップと、
前記利得設定値を前記ディジタル化信号の平均レベルに応じて調節するステップ
を含むことからなる、上項１３に記載の方法。
１６．露光レベルを決定する前記ステップが、ピクセルアレイ値を閾値と比較するステップを含み、前記ピクセルアレイ値が、前記ピクセルアレイからの信号の平均値、中間値および最大値から選択されることからなる、上項１３に記載の方法。
１７．前記ピクセルアレイ２０３のリセット電圧を前記露光レベルに応じて調節するステップをさらに含む、上項１３に記載の方法。 The following is an exemplary embodiment comprising a combination of various components of the present invention.
1. A pixel array 203 for capturing the image 211;
An exposure level determiner 207 for determining an exposure level of the pixel array and generating an exposure level indicator 209;
A power conditioner 206 for adjusting a power voltage 205 for the pixel array in response to the exposure level indicator.
A system comprising:
2. The exposure level determiner 207 includes
A programmable gain amplifier 301 for amplifying the signal 211 from the pixel array 203;
An analog-to-digital converter 303 for receiving the amplified signal 302 and converting the amplified signal to a digitized signal 304;
The system of claim 1, comprising a gain control block 305 for adjusting a gain 306 of the programmable gain amplifier.
3. The system of claim 2, wherein the pixel array is fabricated by complementary metal oxide silicon (or complementary metal oxide semiconductor: CMOS) technology.
4). The gain control block 305 determines the average level of the digitized signal 304 and adjusts the gain 306 of the programmable gain amplifier 301 if the average level of the digitized signal does not meet a target value. The system according to item 2 above.
5). The gain control block 305 includes
If the average level of the digitized signal 304 is less than the target value, increase the gain 306 of the programmable gain amplifier 301;
The system of claim 4, comprising reducing the gain of the programmable gain amplifier if the average level of the digitized signal exceeds a target value.
6). The system of claim 5, wherein the gain control block comprises a comparator for comparing an average level of the digitized signal with a target value.
7). The exposure level determiner 207 includes a comparator 307 for comparing a pixel array value with a threshold value 309, and the pixel array value is selected from an average value, an intermediate value, and a maximum value of a signal from the pixel array 203. 2. The system according to item 1 above.
8). The power regulator 206 is
When the exposure level indicator 209 indicates that the exposure level of the pixel array 203 is less than a threshold, the voltage of the power source 205 is decreased,
The system of claim 1, comprising raising a voltage of a power supply when the exposure level indicator indicates that the exposure level of the pixel array exceeds a threshold value.
9. The power regulator 206 is
A voltage control block 401 for generating an optimal voltage reference 405 based on the exposure level indicator 209;
The system of claim 1 comprising a voltage regulator 403 for adjusting the power supply 205 to meet the optimal voltage reference.
10. The system of claim 9, wherein the voltage control block 401 comprises a look-up table for generating the optimal voltage reference 405.
11. The system of claim 9, wherein the voltage control block 401 comprises a comparator for comparing the exposure level indicator 209 to a threshold level.
12 The system of claim 1, further comprising a reset voltage adjuster for adjusting a reset voltage of the pixel array 203 in response to the exposure level indicator 209.
13. A method for optimizing a power source 205 of a pixel array 203, comprising:
Supplying a voltage to the pixel array;
Capturing an image 211 with the pixel array;
Determining an exposure level of the image;
Adjusting the voltage of the power source in accordance with the exposure level.
14 Said step of adjusting the voltage of the power supply comprises:
Reducing the voltage of the power source 205 when the exposure level is less than a threshold;
14. The method according to claim 13, further comprising a step of increasing a voltage of a power source when the exposure level exceeds a threshold value.
15. Said step of determining the exposure level comprises:
Amplifying the signal 211 from the pixel array 203 according to a gain setting value 306;
Converting the amplified signal 302 into a digitized signal 304;
Determining an average level of the digitized signal;
14. The method of claim 13, comprising adjusting the gain setting value according to an average level of the digitized signal.
16. Said step of determining an exposure level comprises comparing a pixel array value to a threshold value, said pixel array value consisting of an average value, an intermediate value and a maximum value of a signal from said pixel array; 14. The method according to item 13 above.
17. The method of claim 13, further comprising adjusting a reset voltage of the pixel array 203 according to the exposure level.

本発明は、イメージセンサのピクセルアレイ203の電源205を最適化して、ピクセルノイズを最小化し、かつ、ダイナミックレンジを最大化するための方法及び装置に関する。電源205は、ピクセルアレイ203がイメージを捕捉するときにピクセルアレイ203の露光レベルに応じて調整される。比較的高い露光レベルの場合には、電源205の電圧を上げて、ピクセルアレイ203のダイナミックレンジを広げる。露光レベルが比較的低い状態において、ピクセルアレイ203の全ダイナミックレンジが使用されるわけではないときは、電源205の電圧を下げて、ピクセルノイズのレベルを下げ、画質に対するピクセルノイズの影響を低減する。   The present invention relates to a method and apparatus for optimizing a power source 205 of a pixel array 203 of an image sensor to minimize pixel noise and maximize dynamic range. The power source 205 is adjusted according to the exposure level of the pixel array 203 when the pixel array 203 captures an image. When the exposure level is relatively high, the voltage of the power supply 205 is increased to widen the dynamic range of the pixel array 203. If the full dynamic range of the pixel array 203 is not used at relatively low exposure levels, the voltage on the power supply 205 can be lowered to reduce the level of pixel noise and reduce the impact of pixel noise on image quality. .

本発明を特定の好ましい実施態様に関して詳細に説明したが、本発明に関する当業者には、特許請求の範囲の思想および範囲を逸脱することなく、様々な変更および改良を行うことができることが分かるであろう。   Although the invention has been described in detail with reference to certain preferred embodiments, those skilled in the art to which the invention pertains can make various changes and modifications without departing from the spirit and scope of the claims. I will.

先行技術のピクセルアレイのブロック図を示す。1 shows a block diagram of a prior art pixel array. 露光レベルに応じてピクセルアレイの電源電圧を最適化するための、本発明にしたがって作製されたシステムのブロック図を示す。FIG. 2 shows a block diagram of a system made in accordance with the present invention for optimizing the pixel array power supply voltage as a function of exposure level. 図２における露光レベル決定器として可能な一実施例を示す。FIG. 3 shows one possible embodiment of the exposure level determiner in FIG. 露光レベル決定器の別の実施例を示す。6 shows another embodiment of an exposure level determiner. 可変電圧源として可能な一実施例を示す。One possible embodiment of the variable voltage source is shown. 複数の電源を有するピクセルアレイを示す。1 illustrates a pixel array having multiple power supplies. 本発明による処理フローチャートを示す。4 shows a process flowchart according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

２０３ ピクセルアレイ
２０４ アレイVdd
２０５ 電源
２０６ 電源調節器（または供給電圧調整器）
２０７ 露光レベル決定器
２０９ 露光レベルインジケータ
２１１ 画像信号（イメージ信号） 203 pixel array 204 array Vdd
205 Power supply 206 Power supply regulator (or supply voltage regulator)
207 Exposure level determiner 209 Exposure level indicator 211 Image signal (image signal)

Claims (19)

イメージを捕捉し、該捕捉したイメージに対応するイメージ信号を出力するためのピクセルアレイと、
前記ピクセルアレイの露光レベルを決定して、露光レベルインジケータを生成するための露光レベル決定器と、
前記ピクセルアレイに入射する光の露光レベルに応じて、前記ピクセルアレイに供給される電源電圧のレベルを調節するための電源調節器と、
前記ピクセルアレイにリセット信号を提供するためのリセット電圧のレベルを調節するためのリセット調節器とを備え、
前記リセット電圧は、前記ピクセルアレイに入射する光の前記露光レベルに応じて、かつ、前記ピクセルアレイに供給される前記電源電圧とは無関係に、調節される、システム。 Capturing the images, the pixel array for outputting an image signal corresponding to an image obtained by the capture,
To determine the exposure level of the pixel array, the exposure level determination for generating an exposure level indicator,
Depending on the exposure level of the light incident on the pixel array, and a power adjuster for adjusting the level of the power supply voltage supplied to the pixel array,
A reset adjuster for adjusting a level of a reset voltage for providing a reset signal to the pixel array;
The system, wherein the reset voltage is adjusted according to the exposure level of light incident on the pixel array and independent of the power supply voltage supplied to the pixel array . 前記露光レベル決定器が、
前記ピクセルアレイからの信号を増幅するためのプログラム可能な利得増幅器と、
前記増幅された信号を受信して、前記増幅された信号をディジタル化信号に変換するためのアナログ−ディジタル変換器と、
前記プログラム可能な利得増幅器の利得を調節するための利得制御ブロックとを備える、請求項１に記載のシステム。 The exposure level determiner comprises :
A programmable gain amplifier circuit for amplifying the signals of the pixel array or al,
A digital converter, - receiving a signal that is the amplified, analog for converting the amplified signal to issue a digital Cassin
Ru and a gain control block for adjusting the gain of the programmable gain amplifier system of claim 1. 前記ピクセルアレイが相補型金属酸化物シリコン（ＣＭＯＳ）技術により作製される、請求項２に記載のシステム。 The pixel array is fabricated by complementary metal oxide silicon (CMOS) technology, the system according to claim 2. 前記利得制御ブロックが、前記ディジタル化信号の平均レベルを決定し、前記ディジタル化信号の平均レベルが目標値に合致しない場合に、前記プログラム可能な利得増幅器の利得を調節する、請求項２に記載のシステム。 It said gain control block determines a mean level of the digital Cassin No., when the average level of the digitized signal does not match the target value, you adjust the gain of the programmable gain amplifier circuit, The system according to claim 2. 前記利得制御ブロックが、
前記ディジタル化信号の平均レベルが目標値未満の場合には、前記プログラム可能な利得増幅器の利得を増加させ、
前記ディジタル化信号の平均レベルが目標値を超える場合には、前記プログラム可能な利得増幅器の利得を減少させる、請求項４に記載のシステム。 It said gain control block is,
When the above average level of the digital Cassin No. is less than the target value, increase the gain of the programmable gain amplifier circuit,
If the average level of the digitized signal exceeds the target value, Ru reduces the gain of the programmable gain amplifier system of claim 4. 前記利得制御ブロックが、前記ディジタル化信号の平均レベルを目標値と比較するための比較器を備える、請求項５に記載のシステム。   The system of claim 5, wherein the gain control block comprises a comparator for comparing an average level of the digitized signal with a target value. 前記露光レベル決定器が、ピクセルアレイ値を閾値と比較するための比較器を備え、前記ピクセルアレイ値が、前記ピクセルアレイからの信号の平均値、中間値および最大値の中から選択される、請求項１に記載のシステム。 Select the exposure level determiner is provided with a comparator for comparing the threshold value a pixel array value, the pixel array value, the average value of the pixel array or these signals, from the intermediate value and maximum value Ru is, the system according to claim 1. 前記電源調節器が、
前記露光レベルインジケータが、前記ピクセルアレイの露光レベルが閾値未満であることを指示するときには、前記電源電圧を低下させ、
前記露光レベルインジケータが、前記ピクセルアレイの露光レベルが閾値を超えることを指示するときには、前記電源電圧を上昇させる、請求項１に記載のシステム。 The power regulator is
The exposure level indicator is, when instructing the exposure level of the pixel array is less than the threshold value, reduces the power voltage,
The exposure level indicator, when the exposure level of the pixel array instructs the Koeruko the threshold, Ru raises the power voltage, the system according to claim 1. 前記電源調節器が、
前記露光レベルインジケータに基づいて最適な電圧基準を生成するための電圧制御ブロックと、
前記最適な電圧基準に合致するように、前記電源電圧を調節するための電圧調整器とを備える、請求項１に記載のシステム。 The power regulator is
A voltage control block for generating the optimum voltage standards based on the exposure level indicator,
To match the optimum voltage reference, Ru and a voltage regulator for adjusting the power supply voltage, the system according to claim 1. 前記電圧制御ブロックが、前記最適な電圧基準を生成するためのルックアップテーブルを含む、請求項９に記載のシステム。 The voltage control block is, the system according to look-up table for generating the optimum voltage standards including, in claim 9. 前記電圧制御ブロックが、前記露光レベルインジケータを閾値レベルと比較するための比較器を備える、請求項９に記載のシステム。 The voltage control block is, Ru includes a comparator for comparing the exposure level indicator to a threshold level, the system of claim 9. ピクセルアレイの電源電圧を最適化するための方法であって、
前記ピクセルアレイに電源電圧及びリセット電圧を供給するステップと、
イメージを前記ピクセルアレイで捕捉するステップと、
前記イメージの露光レベルを決定するステップと、
前記露光レベルに応じて前記電源電圧を調節するステップと、
前記露光レベルに応じて前記リセット電圧を調節するステップであって、前記リセット電圧は、前記ピクセルアレイに供給される前記電源電圧とは無関係に調節される、ステップと、
を含む方法。 A method for optimizing the power source voltage of the pixel array,
Supplying a power supply voltage and a reset voltage to the pixel array;
A step of capturing the images in the pixel array,
Determining an exposure level of the image;
And adjusting the power voltage in response to the exposure level,
Adjusting the reset voltage according to the exposure level, wherein the reset voltage is adjusted independently of the power supply voltage supplied to the pixel array;
Including methods. 前記電源電圧を調節する前記ステップが、
前記露光レベルが閾値未満のときには、前記電源電圧を低下させるステップと、
前記露光レベルが閾値を超えるときには、前記電源電圧を上昇させるステップと、
を含む、請求項１２に記載の方法。 Wherein the step of adjusting the power voltage is,
Wherein when the exposure level is less than the threshold value, the step of reducing the power voltage,
When the exposure level is above the threshold, the step of increasing the supply voltage,
The including method of claim 12. 前記露光レベルを決定する前記ステップが、
前記ピクセルアレイからのイメージ信号を利得設定値に応じて増幅するステップと、
前記増幅された信号をディジタル化信号に変換するステップと、
前記ディジタル化信号の平均レベルを決定するステップと、
前記利得設定値を前記ディジタル化信号の平均レベルに応じて調節するステップと、
を含む、請求項１２に記載の方法。 The step of determining the exposure level comprises:
A step of amplifying in response to image No. signals of the pixel array or al the gain setting value,
Converting the signal that is the amplified No. digital Cassin,
Determining an average level of the digitized signal;
Adjusting the gain setting according to an average level of the digitized signal ;
The including method of claim 12. 前記露光レベルを決定する前記ステップが、ピクセルアレイ値を閾値と比較するステップを含み、前記ピクセルアレイ値が、前記ピクセルアレイからの信号の平均値、中間値および最大値の中から選択される、請求項１２に記載の方法。 It said step of determining the exposure level includes the step of comparing with a threshold pixel array value, the pixel array value, the average value of the signal from the pixel array, Ru is selected from the intermediate value and maximum value, The method of claim 12 . 前記電源調節器は、前記電源電圧を前記ピクセルアレイに供給するための、第１の電圧供給源に接続された第１の調節器を含み、The power regulator includes a first regulator connected to a first voltage supply for supplying the power supply voltage to the pixel array;
前記リセット調節器は、前記リセット電圧を前記ピクセルアレイに供給するための、前記電圧供給源に接続された第２の調節器を含む、請求項１に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the reset adjuster includes a second adjuster connected to the voltage supply for supplying the reset voltage to the pixel array. 前記ピクセルアレイから出力されたイメージ信号に基づき入射光の前記露光レベルを決定し、かつ、露光レベルインジケータ信号を出力するための露光レベル決定器を更に備え、電源電圧レベル及びリセット電圧レベルは、それぞれ前記第１及び第２の調節器により、前記露光レベルインジケータ信号に従って個々に制御される、請求項１６に記載のシステム。An exposure level determiner for determining the exposure level of incident light based on an image signal output from the pixel array and outputting an exposure level indicator signal, wherein the power supply voltage level and the reset voltage level are respectively The system of claim 16, wherein the system is individually controlled by the first and second adjusters according to the exposure level indicator signal. 前記第１の調節器は第１の電圧レギュレータを含み、該第１の電圧レギュレータは、前記露光レベルインジケータ信号によって表される前記露光レベルに関連付けられた第１のルップアップテーブル中のルックアップテーブル値に基づき、第１の電圧基準信号を受信し、The first regulator includes a first voltage regulator, the first voltage regulator being a look-up table in a first look-up table associated with the exposure level represented by the exposure level indicator signal. Receiving a first voltage reference signal based on the value;
前記第２の調節器は第２の電圧レギュレータを含み、該第２の電圧レギュレータは、前記露光レベルインジケータ信号によって表される前記露光レベルに関連付けられた第２のルップアップテーブル中のルックアップテーブル値に基づき、第２の電圧基準信号を受信する、請求項１７に記載のシステム。The second regulator includes a second voltage regulator, the second voltage regulator being a lookup table in a second look-up table associated with the exposure level represented by the exposure level indicator signal. The system of claim 17, wherein the system receives a second voltage reference signal based on the value. 前記第１及び第２の調節器は、それぞれ前記電源電圧レベル及び前記リセット電圧レベルの最適値を算出するためのそれぞれのアルゴリズムに従って動作する、請求項１６に記載のシステム。The system of claim 16, wherein the first and second regulators operate according to respective algorithms for calculating optimal values for the power supply voltage level and the reset voltage level, respectively.
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